DE4223528A1 - Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, insbesondere nach den Oberbegriffen des Anspruchs 1 oder Anspruchs 11.

Dampfkraftwerke zeichnen sich durch eine tiefe untere Prozeß­ temperatur aus, da üblicherweise der Dampf bis zu einem mög­ lichst niedrigen Kondensatordruck und entsprechend niedriger Kondensatortemperatur (untere Prozeßtemperatur) in Dampftur­ binen entspannt wird. Je höher die thermodynamische Mittel­ temperatur bei der Wärmeübertragung des Prozesses und somit die obere Prozeßtemperatur ist, desto geringer ist der den Wirkungsgrad begrenzende Energieverlust bei der Wärmeübertra­ gung zwischen Dampf und Rauchgas. Übliche Maßnahmen zur Erhö­ hung der thermodynamischen Mitteltemperatur sind Zwischen­ überhitzung und regenerative Speisewasservorwärmung.

Der Gasturbinenprozeß gestattet demgegenüber eine wesentlich höhere obere Prozeßtemperatur, die durch die zulässige Turbi­ neneintrittstemperatur (heute etwa 1000 bis 1200°C) begrenzt ist. Es ist deshalb erforderlich, den Luftüberschuß bei der Verbrennung so hoch zu wählen, daß die Brennkammeraus­ trittstemperatur bis auf die zulässige Turbineneintrittstem­ peratur abgesenkt wird. Nachteilig beim Gasturbinenprozeß ist auch die relativ hohe Turbinenaustrittstemperatur, die die hohe untere Prozeßtemperatur des Gasturbinenprozesses be­ dingt.

Der Wirkungsgrad des reinen Gasturbinenprozesses kann durch regenerative Vorwärmung der Verbrennungsluft mittels Turbi­ nenabgase und durch Zwischenerhitzung in Zwischenbrennkammern bei mehrstufiger Anordnung der Gasturbine erhöht werden.

Ein anderer Weg zur Wirkungsgradsteigerung wird durch die Kombination von Gas- und Dampfprozessen beschritten. So führt die Nutzung des heißen Gasturbinenabgases als Wärmequelle ei­ nes nachgeschalteten, externen Dampfprozesses im GuD (Gas- und Dampfprozeß) zu einer deutlichen Steigerung des Prozeß­ wirkungsgrades, verglichen mit den Einzelprozessen. Eine Wir­ kungsgradsteigerung des Gasturbinenprozesses kann auch mit dem STIG-Verfahren (STeam Injected Gasturbine) erreicht wer­ den. Hierbei wird Dampf, der mit dem heißen Gasturbinenabgas erzeugt wurde, in die Brennkammer der Gasturbine eingeblasen und mit dem Brennkammergas vermischt. Dadurch wird die Lei­ stung der Turbine gesteigert und zugleich die NOx-Bildung vermindert.

Nachteil der hier beschriebenen Gasturbinenprozesse ist es, daß die zur Kühlung des Brennkammergases erforderliche Luft­ menge immer noch wesentlich über der zur Verbrennung erfor­ derlichen liegt. Dies hat zur Folge, daß die Verdichterlei­ stung deutlich über der zur Förderung der stöchiometrisch er­ forderlichen Luftmenge liegt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzuge­ ben, wodurch eine Gasturbine mit bis zu stöchiometrischem Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Durch Verwenden einer externen Dampfquelle ist es möglich, die Größe der Gasturbine auf die verfügbare Menge des externen Dampfes abzustimmen, so daß im Grenzfall die gesamte Kühlluftmenge durch Wasserdampf ersetzt wird und der Luftverdichter lediglich die stöchiometrische Luftmenge zu fördern braucht. Das bedeutet eine erhebliche Einsparung an Verdichterleistung, die als zusätzliche Nutzleistung an der Turbinenwelle zur Verfügung steht.

Außerdem wird durch die Zumischung großer Mengen inerten Was­ serdampfes die Stickoxidbildung minimiert.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung, wobei der Was­ serdampf in das Brennkammergas zwischen Luftverdichter und Turbine eingedüst wird, wird erreicht, daß der Wasserdampf aus einer externen Wasserdampfquelle in den Hochdruckteil der Gasturbine gelangt, wo er die erforderliche Abkühlung der Brennkammergase vor Eintritt in die Turbine bewirkt.

Die Eintrittsstelle des Wasserdampfes in den Hochdruckteil der Gasturbine kann im Bereich der Brennkammer oder in eine Verbindungsleitung zwischen Brennkammer und Turbine oder in beide erfolgen. Durch die Eintrittsstelle wird der Ablauf der Verbrennung und die Temperatur der Bauteile beeinflußt. Ein Einbringen des inerten Wasserdampfes vor oder in die Brenn­ kammer bewirkt eine minimale Stickoxidbildung und relativ niedrige Brennkammertemperaturen, eine Einbringung nach der Brennkammer eine besonders stabile und vollständige Verbren­ nung mit allerdings erhöhten Bauteiltemperaturen. Die Ein­ bringung sowohl als auch ermöglicht eine beliebige Optimie­ rung von NOx-Emissionen und vollständiger Verbrennung mit niedriger CO- und HC-Emissionen sowie mäßige Bauteiltempera­ turen. In jedem Fall ist die erfindungsgemäße Einbringung des Wasserdampfes so gestaltet, daß spätestens bei Eintritt in die Turbine eine homogene Brennkammergas-Wasserdampfmischung mit gleichmäßiger Turbineneintrittstemperatur vorliegt.

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, wobei die Leitschaufeln zumindest der ersten Stufe der Turbine mit Wasserdampf beschickt werden, der nach dem Kühlen der Schau­ feln in den Brennkammergasstrom gelangt, wird auch bei feh­ lendem Luftüberschuß und damit fehlender Kühlluft eine Schau­ felkühlung und damit die höchstmögliche Turbineneintrittstem­ peratur verwirklicht, die einen hohen Gasturbinenwirkungsgrad gewährleistet.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, wobei vorzugs­ weise die Gesamtmenge des Wasserdampfes eines Dampfprozesses diesem bei mindestens Brennkammerdruck entnommen und der Gasturbine zugeführt wird, ermöglicht eine optimale Ausnut­ zung des Wasserdampfes durch dessen Zwischenerhitzung am kalten Ende eines Dampfprozesses mit einer entsprechenden Leistungssteigerung der Gasturbine.

Handelt es sich bei dem Dampfprozeß vorzugsweise um eine Dampfkraftanlage, eine Dampfprozeßanlage oder eine Dampfheiz­ anlage, wird die Gesamtanlage vereinfacht, da die Gasturbine einen Dampfüberhitzer und eine Niederdruckdampfturbine er­ setzt.

Arbeitet die Gasturbine mit Zwischenerhitzung zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine, wobei das Ab­ gas der Hochdruckturbine durch Wärmeübertragung vom Brennkam­ mergas vor der Hochdruckturbine aufgeheizt wird, wird die mittlere Temperatur des Gasturbinenprozesses wirkungsgrad­ steigernd angehoben und die erforderliche Abkühlung der Brennkammergase vor Eintritt in die Hochdruckturbine teil­ weise durch Wärmeübertragung von deren Abgas, teilweise durch Vermischen mit Fremddampf erreicht.

Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung, bei der das Brennkammergas vor Eintritt in die Turbine durch Wärmeüber­ tragung auf Wasser und Wasserdampf gekühlt wird, wobei der Wasserdampf in einem getrennten Dampfprozeß verwendet wird, kann auch bei einer einstufigen Gasturbine eine teilweise Ab­ kühlung der Brennkammergase durch Wärmeübertragung bewirkt werden. Der dabei erzeugte Wasserdampf kann in einer getrenn­ ten Dampfkraftanlage oder als Prozeß- oder Heizdampf genutzt werden. Vorteilhaft ist dabei, daß sich ein getrennter Dampf­ kessel erübrigt.

Wird die Abgaswärme hinter der Turbine zur Erzeugung von Was­ serdampf genutzt, der entweder zum Kühlen der Brennkammergase durch Vermischen mit denselben oder in einem getrennten Dampfprozeß verwendet wird, kann die Abgaswärme der Gastur­ bine genutzt und die erforderliche Abkühlung der Brennkammer­ gase durch Vermischen derselben mit intern und extern erzeug­ tem Wasserdampf bewerkstelligt werden. Von Vorteil ist auch, daß eine externe Nutzung des im Abhitzekessel erzeugten Was­ serdampfes möglich ist und somit eine große Flexibilität bei der Belieferung von Dampfverbrauchern gegeben ist.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, bei der der Abgasstrom bis unter den Taupunkt des Abgases abgekühlt wird gelingt es, die Kondensationswärme zurückzugewinnen, die zu Heizzwecken eingesetzt werden kann. Dabei fällt auch ein er­ heblicher Teil des Speisewassers wieder an, das nach geeigne­ ter Aufbereitung wieder verwendet wird. Die Aufbereitung ist insbesondere bei Verwendung von Erdgas als Kraftstoff für die Gasturbine problemlos. Wenn keine Heizwärme benötigt wird und dennoch das Speisewasser zurückgewonnen werden soll, so kann die Kondensationswärme über beliebige andere Wärmesenken, wie z. B. Kühltürme oder Flußwasser abgeführt werden.

Ist im Abgasstrom hinter der Turbine ein Abhitzekessel ange­ ordnet, der in Strömungsverbindung mit der Leitung oder mit einem getrennten Dampfprozeß steht, wird die Abwärme der Gasturbine zur Erzeugung von Wasserdampf genutzt, der entwe­ der dem externen Wasserdampf zur Brennkammergaskühlung beige­ mischt wird oder in einem getrennten Dampfprozeß Verwendung findet.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, wobei im Brennkammergasstrom zwischen Brennkammer und Hochdruckturbine ein Gaswärmetauscher angeordnet ist, der in Strömungsverbin­ dung mit dem Auslaß der Hochdruckturbine und dem Einlaß der Niederdruckturbine steht, ermöglicht, daß das teilexpandierte Abgas durch Wärmeübertragung zwischenerhitzt wird, ohne daß eine weitere Brennkammer und der zu deren Betrieb erforderli­ che Luftüberschuß erforderlich sind. Dadurch werden Verdich­ terleistung gespart und der Aufbau der Gasturbine einfach.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, wobei im Brennkammergasstrom zwischen Brennkammer und Turbine der Dampfwärmetauscher angeordnet ist, dessen Eintritt mit dem Abhitzekessel und dessen Austritt mit einem externen Wasser­ dampfverbraucher in Strömungsverbindung steht, kann im Ab­ hitzekessel Hochdruckdampf erzeugt werden, der anschließend im Dampfwärmetauscher überhitzt und einem Hochdruckdampfpro­ zeß zugeführt wird, wobei zugleich das Brenngas vor der Tur­ bine abgekühlt wird.

Wird im Abgasstrom hinter dem Abhitzekessel ein Kondensator angeordnet, dessen Kühlsystem in Strömungsverbindung mit ei­ nem Wärmeverbraucher, insbesondere einem Heizsystem steht, wird Kühlwärme auf niedrigem Temperaturniveau gewonnen, wie sie beispielsweise für Raumheizungen geeignet ist. Auch wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der größte Teil des Speisewassers zurückgewonnen und nach Aufbereitung dem Dampf­ prozeß wieder zugeführt.

Es ist von Vorteil, daß der Gasturbinenprozeß im Sinne der Aufgabe alternativ auch ohne Dampfeinblasung betrieben werden kann, wobei die Gasturbine mit Zwischenüberhitzung zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine arbeitet und wobei das Abgas der Hochdruckturbine durch Wärmeübertra­ gung vom Brennkammergas vor der Hochdruckturbine aufgeheizt wird. Hierdurch wird das Brennkammergas abgekühlt und dadurch der erforderliche Luftüberschuß vermindert. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Gasturbine durch Zwischenerhitzung und durch Verminderung der Kompressorleistung angehoben.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen Beispiele der Er­ findung schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 Schema eines Gasturbinenprozesses mit Dampfeinbla­ sung und einstufiger Turbine,

Fig. 2 Schema eines Gasturbinenprozesses mit Hochdrucktur­ bine, Niederdruckturbine und Zwischenerhitzung so­ wie Dampfeinblasung.

Fig. 1 zeigt eine Gasturbine mit einem Luftverdichter 4 und einer Turbine 5, wobei die Turbine 5 über eine Brennkammer 3 in Strömungsverbindung mit dem Luftverdichter 4 steht, den­ selben antreibt und Wellenleistung abgibt. Der Luftverdichter 4 liefert nur die zur Verbrennung des in die Brennkammer 3 eingebrachten Kraftstoffes erforderliche Luftmenge. Die Ab­ kühlung der Brennkammergase erfolgt durch Zugabe von Wasser­ dampf, der einer externen Dampfquelle 1 bei Brennkammerdruck entnommen und über eine Leitung 2 in die Brennkammer 3 gelei­ tet wird. Dort wird ein homogenes Gemisch aus Brennkammergas und Wasserdampf gebildet, das die zulässige Turbinenein­ trittstemperatur aufweist.

Nach Austritt aus der Turbine 5 wird das Abgas in einem Ab­ hitzekessel 6 abgekühlt. Im Abhitzekessel 6 wird Wasser ver­ dampft, das als Wasserdampf über eine Abhitzedampfleitung 7 zur Leitung 2 gelangt und sich dort mit dem Wasserdampf aus der externen Dampfquelle 1 vermischt.

Nach Verlassen des Abhitzekessels 6 gelangt das Abgas in den Abgaskondensator 8, wo es bis unterhalb der Taupunkttempera­ tur abgekühlt wird. Die Kühlwärme steht zu Heizzwecken zur Verfügung oder wird in einem Kühlturm an die Umgebung abge­ führt. Das anfallende Kondensat wird nach entsprechender Auf­ bereitung als Speisewasser verwendet. Das Abgas gelangt nach Verlassen des Abgaskondensators in einen Schornstein.

Die Anordnung von Fig. 2 unterscheidet sich von der der Fig. 1 durch die Aufteilung der Turbine 5 in eine Hochdruck­ turbine 9 und eine Niederdruckturbine 10. Nach der Teilent­ spannung des Abgases in der Hochdruckturbine 9 wird dieses in einem Wärmetauscher 11 zwischenerhitzt und anschließend in der Niederdruckturbine 10 entspannt. Der Wärmetauscher 11, der im Brennkammergasstrom vor der Hochdruckturbine 9 ange­ ordnet ist, dient gleichzeitig zum Abkühlen der Brennkammer­ gase, so daß bei dieser Anordnung die Brennkammergase sowohl durch Mischen mit Wasserdampf als auch durch Wärmeübertragung gekühlt werden.

Bei der Dampfquelle 1 kann es sich in beiden Anordnungen um ein beliebiges Dampfkraftwerk oder um eine Dampfprozeßanlage handeln, wobei die gesamte Niederdruckdampfmenge durch die entsprechend dimensionierte Gasturbine geleitet wird.

Im Gegensatz zu bisher verwendeten Formen der Dampfeinblasung in Gasturbinenbrennkammern, etwa zur NOx-Reduzierung, wird bei der Erfindung davon ausgegangen, daß die gesamte Dampf­ menge eines Dampfkraftwerkes oder zumindest ein wesentlicher Anteil davon nicht mehr im Niederdruckteil der Dampfturbine sondern in der nachgeschalteten Gasturbine entspannt wird. Der hier beschriebene Prozeß kann also gleichzeitig zur Lei­ stungserhöhung der Gasturbine und des Dampfprozesses verwen­ det werden. Die Erfindung ist daher auch zur Nachrüstung vor­ handener Dampfkraftwerke geeignet.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet, unter Verwendung gängiger Komponenten eine Gasturbine als Teil eines Dampfpro­ zesses zu betreiben, die sich durch hohen thermodynamische Wirkungsgrad, hohe Leistung und niedrige Schadstoffemission auszeichnet.

Claims (11)

1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine als Teil eines Dampfprozesses, wobei die Gasturbine zumindest einen Luftver­ dichter (4), eine Brennkammer (3) und eine Turbine (5) auf­ weist, die den Luftverdichter (4) antreibt und Wellenleistung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftverdichter (4) zumindest das zur Verbrennung erforderliche Luftvolumen fördert und die Abkühlung des Brennkammergases auf die zulässige Turbinenein­ trittstemperatur durch Vermischen desselben mit Wasserdampf erfolgt, der einem Dampfprozeß entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf in das Brennkam­ mergas zwischen Luftverdichter (4) und Turbine (5, 9) einge­ düst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf im Bereich der Brennkammer (3) oder in eine Verbindungsleitung zwischen Brennkammer (3) und Turbine (5, 9) oder in beide eingedüst wird.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln zumindest der ersten Stufe der Turbine (5, 9, 10) mit Wasserdampf beschickt werden, der nach dem Kühlen der Schaufeln in das Brennkammer­ gas gelangt.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise die gesamte Menge des Wasserdampfes eines Dampfprozesses diesem bei mindestens Brennkammerdruck entnommen und der Gasturbine zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Dampfprozeß vor­ zugsweise um eine Dampfkraftanlage, um eine Dampfprozeßanlage oder eine Dampfheizanlage handelt.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine mit Zwischener­ hitzung zwischen einer Hochdruckturbine (9) und einer Nieder­ druckturbine (10) arbeitet, wobei das Abgas der Hochdrucktur­ bine (9) durch Wärmeübertragung vom Brennkammergas vor der Hochdruckturbine (9) aufgeheizt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennkammergas vor Eintritt in die Turbine (5) durch Wärmeübertragung auf Wasser und Was­ serdampf gekühlt wird, wobei der Wasserdampf in einem ge­ trennten Dampfprozeß verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaswärme hinter der Turbine (5, 10) zur Erzeugung von Wasserdampf genutzt wird, der ent­ weder zum Kühlen der Brennkammergase durch Vermischen mit denselben oder in einem getrennten Dampfprozeß verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom bis unter den Tau­ punkt abgekühlt wird und die dazu erforderliche Kühlwärme vorzugsweise zum Heizen dient.

11. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, wobei die Gasturbine zumindest einen Luftverdichter (4), eine Brenn­ kammer (3) und eine Turbine (5) aufweist, die den Luftver­ dichter (4) antreibt und Wellenleistung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine mit Zwischener­ hitzung zwischen einer Hochdruckturbine (9) und einer Nieder­ druckturbine (10) arbeitet, wobei das Abgas der Hochdrucktur­ bine (9) durch Wärmeübertragung vom Brennkammergas vor der Hochdruckturbine (9) aufgeheizt wird.